ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Μ..Ε. «ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ & ΥΓΕΙΟΝΟΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ». ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Μ..Ε. «ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ & ΥΓΕΙΟΝΟΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ». ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «Καρστικοί υδροφορείς- Αναχαίτιση του φαινοµένου της υφαλµύρωσης στην περιοχή της Χερσονήσου Ηρακλείου Κρήτης προσοµοιώνοντας τη µέθοδο του τεχνητού εµπλουτισµού». Κουτάντου Παρασκευή ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ : Καρατζάς Π. Γεώργιος (Επιβλέπων) Καλογεράκης Νικόλαος Γκέκας Βασίλειος Χανιά Ιόυνιος 2006

2 Ολοκληρώντας την παρούσα διπλωµατική εργασία θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κύριο Καρατζά Π. Γεώργιο, καθηγητή του Τµήµατος Μηχανικών Περιβάλλοντος και ιδιαίτερα την κυρία Παπαδοπούλου Μαρία για την πολύτιµη βοήθεια που µου προσέφερε. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω και τα µέλη της εξεταστικής επιτροπής κύριο Καλογεράκη Νικόλαο και Γκέκα Βασίλειο. Κουτάντου Βούλα

3 Περίληψη «Καρστικοί υδροφορείς- Αναχαίτιση του φαινοµένου της υφαλµύρωσης στην περιοχή της Χερσονήσου Ηρακλείου Κρήτης προσοµοιώνοντας τη µέθοδο του τεχνητού εµπλουτισµού». Η παρούσα διπλωµατική εργασία προσεγγίζει ένα σηµαντικό πρόβληµα των παράκτιων υδροφορέων την υφαλµύρωση. Το φαινόµενο αυτό έχει πολύ αρνητικά αποτελέσµατα τόσο για τον υδροφορέα όσο και για τις ανθρώπινες δραστηριότητες όπως τη γεωργία και τον τουρισµό. Αρχικά εξετάζονται τα αίτια και οι τρόποι αντιµετώπισης του προβλήµατος, ανάλογα µε το είδος του υδροφορέα στον οποίο εµφανίζεται. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στους καρστικούς υδροφορείς για τους οποίους δεν υπάρχουν επαρκή στοιχεία για τη συµπεριφορά τους υπό υφάλµυρη κατάσταση. Επειδή ένας από τους πιο δραστικούς τρόπους αντιµετώπισης του φαινοµένου είναι ο τεχνητός εµπλουτισµός, αναλύονται αφενός οι τρόποι εφαρµογής του και αφετέρου οι συνθήκες κάτω από τις οποίες µπορεί να εφαρµοστεί. Για άλλη µία φορά ο τεχνητός εµπλουτισµός των καρστικών υδροφορέων αποτελεί ξεχωριστό κεφάλαιο όπου αναλύεται η συµπεριφορά τους κατά το εµπλουτισµό τους. Πέρα από τη βιβλιογραφική αναφορά, η παρούσα εργασία εξέτασε και ένα υπαρκτό πρόβληµα, την υφαλµύρωση του καρστικού υδροφορέα της περιοχής της Χερσονήσου Ηρακλείου Κρήτης. Αρχικά εντοπίστηκε η ζώνη υφαλµύρωσης της περιοχής και στη συνέχεια διερευνήθηκαν πιθανές λύσεις του προβλήµατος. Σε πρώτο στάδιο διακόπηκε η λειτουργία κάποιων γεωτρήσεων ή µειώθηκε ο ρυθµός άντλησής τους, ενώ στη συνέχεια συνδυάστηκαν οι επιλογές αυτές και µε τη µέθοδο του τεχνητού εµπλουτισµού. Αφού εντοπίστηκε η καλύτερη δυνατή επιλογή, η λύση βελτιώθηκε ακόµα περισσότερο µε την αναζήτηση της βέλτιστης θέσης των πηγαδιών εµπλουτισµού. Η όλη διαδικασία έγινε µε τη µέθοδο της προσοµοίωσης και τη χρήση του λογισµικού προγράµµατος Argus One.

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1.1 To αντικείµενο της Υπόγειας Υδραυλικής Βασικές έννοιές της Υπόγειας Υδραυλικής Ταξινόµηση του υπόγειου ύδατος Κορεσµένη ζώνη Μη κορεσµένη ζώνη Υποζώνες Είδη υδάτων Υδροφορέας Χαρακτηριστικά Υδροφορέων Το πείραµα του Darcy Υδραυλική Αγωγιµότητα Ταχύτητα ιήθησης Υδραυλική Αγωγιµότητα Συντελεστής Μεταβιβασιµότητας (Transmissivity)-T Οµοιογένεια και Ανισοτροπία Ανισοτροπία και Υδραυλική Αγωγιµότητα Η εξίσωση της συνέχειας Mαθηµατικό Οµοίωµα Tύποι ορίων και Οριακές συνθήκες Επίλυση του µαθηµατικού οµοιώµατος µε τη µέθοδο της αριθµητικής ανάλυσης Η µέθοδος των πεπερασµένων διαφορών Κατασκευή ορθογωνικού δικτύου Γενικά το πρόβληµα των παράκτιων υδροφορέων Χαρακτηριστικά της υπόγειας ροής σε παράκτιους υδροφορείς Εισαγωγή Εξίσωση της υπόγειας ροής Η πυκνότητα του νερού H αρχή των Βadon Ghyben-Herzberg Ελεύθερος υδροφορέας-μονοδιάστατη ροή Περιορισµένος υδροφορέας Μονοδιάστατη ροή Προβλήµατα του γλυκού νερού που προµηθεύει τις παράκτιες ζώνες Η αύξηση της διεπιφάνειας του φρέσκου-αλµυρού νερού Επιδράσεις της αύξηση του σχετικού επιπέδου θαλάσσης Μέτρα Αντιµετώπισης Υφαλµύρωσης ιαχείριση παρακτίων υδάτων Γενικά ορισµός Σκοπός του τεχνητού εµπλουτισµού Πλεονεκτήµατα µειονεκτήµατα Κατηγορίες και µέθοδοι τεχνητού εµπλουτισµού Άµεσος Τεχνητός Εµπλουτισµός Μέθοδος λεκάνης (spreading basin)-επιφανειακή κατάκλιση Μέθοδος της πληµµύρας επιφανειών Μέθοδος φυσικών ανοιγµάτων (pit and shaft) Μέθοδος των αυλακιών (ditch) Μέθοδος µε φρεάτια εµπλουτισµού (µε έγχυση) Έµµεσος Τεχνητός Εµπλουτισµός Μέθοδος διευθέτησης υδρορεύµατος Μέθοδος των Συνθετικών (Ενωτικών Φρεατίων) Μέθοδος των Πηγαδιών για εµπλουτισµό Γενικές προϋποθέσεις εφαρµογής της µεθόδου Επιπτώσεις τεχνικού εµπλουτισµού...53

5 4.1 Γενικά για τους καρστικούς υδροφορείς Η προέλευση των καρστικών σχηµατισµών Η περιοχή εκτόνωσης Χαρακτηριστικά των καρστικών υδροφορέων Συνέπειες των καρστικών χαρακτηριστικών Προσέγγιση του καρστικού συστήµατος Μεθοδολογική προσέγγιση Προσέγγιση της δοµής του συστήµατος Προσέγγιση της λειτουργίας του συστήµατος Μεθοδολογία της ανάλυσης Μοντελοποίηση του καρστικού συστήµατος Μέθοδοι εκµετάλλευσης και προστασίας των καρστικών υδροφορέων Ιδιαίτερα σηµεία στη δοµή και λειτουργία των καρστικών υδροφορέων Προσοµοίωση των καρστικών υδροφορέων Πρακτικά προβλήµατα των καρστικών υδροφορέων Τεχνητός εµπλουτισµός σε καρστικά εδάφη Νεοτεκτονική οµή Βασικά Βήµατα του Καρστικού Εµπλουτισµού Μοντέλα προσοµοίωσης της ροής των καρστικών υδροφορέων & παραδείγµατα εφαρµογής τους Το παράδειγµα του υδροφορέα Edward στο Τέξας Μεθοδολογία του πειράµατος- Περιγραφή του µοντέλου Αποτελέσµατα Γενικά συµπεράσµατα Το παράδειγµα του υδροφορέα Crestatx στην Ισπανία Εισαγωγή Περιγραφή του υδροφορέα Οριακές συνθήκες Καθεστώς µόνιµης προσοµοίωσης Βαθµονόµηση του µοντέλου Υποθέσεις της προσοµοίωσης Αποτελέσµατα Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης στην Ελλάδα παράδειγµα Γενικά Περιγραφή της περιοχής µελέτης Υδρογεωλογία της κοιλάδας του Άργους Νέο πείραµα τεχνητού εµπλουτισµού Αποτελέσµατα Ποιότητα νερού Φαινόµενα υφαλµύρωσης Φαινόµενα ανανέωσης υδάτων...97

6 5.1 Το µοντέλο προσοµοίωσης Οριακές συνθήκες µοντέλου Περιγραφή της περιοχής µελέτης Κλιµατολογικά στοιχεία Χλωρίδα και πανίδα Γεωλογία της περιοχής Οι υδρογεωλογικές ενότητες Κατάστρωση µοντέλου- περιοχή µελέτης Χάρτες Οριακές συνθήκες Υψόµετρο Αρχικές συνθήκες Βροχόπτωση Βαθµονόµηση του µοντέλου Υπολογισµός της αρχικής κατάστασης του υδροφορέα Προτεινόµενες λύσεις του προβλήµατος χωρίς εµπλουτισµό του υδροφορέα Προτεινόµενες λύσεις του προβλήµατος µε εµπλουτισµό του υδροφορέα Αξιολόγηση αποτελεσµάτων...135

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-Γενικά για την υπόγεια υδραυλική ΚΕΦΑΛΑΙΟ1: Γενικά για την Υπόγεια Υδραυλική 1.1 To αντικείµενο της Υπόγειας Υδραυλικής H Υπόγεια Υδραυλική µελετά τους νόµους που διέπουν την κίνηση των υγρών, αερίων ή µιγµάτων υγρών-αερίων µέσα από πορώδη υλικά. Η θεωρία αυτών των ροών δίνει τα απαραίτητα µέσα για την επίλυση πολλών προβληµάτων που αναφέρονται σε διάφορα πεδία εφαρµογών όπως: Φράγµατα: Χωµάτινα Φράγµατα ή φράγµατα από οπλισµένο σκυρόδεµα. Για τη µελέτη της ευστάθειάς τους καθώς και για τον υπολογισµό της παροχής που διηθείται κάτω από τα φράγµατα είναι απαραίτητος ο προσδιορισµός των αναπτυσσόµενων πιέσεων και η κατανοµή των ταχυτήτων. Υδρεύσεις : Υδρεύσεις πόλεων, χωριών και οικισµών από υπόγεια νερά. Η µελέτη τους βασίζεται στον υπολογισµό υπόγειων ροών ενός συνόλου γεωτρήσεων από υδροφορείς υπό πίεση ή υδροφορείς µε ελεύθερη επιφάνεια. Αποστραγγιστικά έργα: Αποστραγγιστικά έργα που έχουν σκοπό την ταπείνωση της στάθµης του υπόγειου ορίζοντα και την αξιοποίηση γεωργικών εκτάσεων µε υψηλό υπόγειο υδάτινο ορίζοντα Εξόρυξη πετρελαίου: Πρωτογενής και δευτερογενής εξόρυξη κοιτασµάτων πετρελαίου όπου εκτός από τη µελέτη της υπόγειας ροής του πετρελαίου, είναι επίσης απαραίτητη η µελέτη του φαινοµένου της αστάθειας της διεπιφάνειας διφασικών ροών. [1] 1.2 Βασικές έννοιές της Υπόγειας Υδραυλικής Ταξινόµηση του υπόγειου ύδατος Το υπόγειο νερό ταξινοµείται στις εξής κατηγορίες: 1. Κορεσµένη ζώνη (Saturated zone)-υπόγεια Ύδατα 2. Μη κορεσµένη ζώνη (Unsaturated zone) Υπόγεια Ύδατα εκτός της ζώνης αερισµού Κορεσµένη ζώνη 1. Όλοι οι πόροι είναι γεµάτοι µε νερό και κάτω από υδροστατική πίεση. 2. Η άνω επιφάνεια της κορεσµένης ζώνης είναι ο υδροφόρος ορίζοντας όπου η υδροστατική πίεση είναι ίση µε την ατµοσφαιρική. 1

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-Γενικά για την υπόγεια υδραυλική Μη κορεσµένη ζώνη Μη κορεσµένη ζώνη χαρακτηρίζεται η ζώνη του υπεδάφους εντός της οποίας οι εδαφικοί πόροι καταλαµβάνονται από αέρα και νερό ταυτόχρονα εκτός στην περίπτωση της πληµµύρας κατά την οποία οι πόροι γεµίζουν προσωρινά µόνο µε νερό Υποζώνες 1. Ζώνη του εδαφικού ύδατος (Soil Water Zone)- επεκτείνεται από την εδαφική επιφάνεια µέχρι το τέλος της ζώνης του ριζικού συστήµατος. 2. Ζώνη τριχοειδών φαινοµένων (Capilary zone) επεκτείνεται από τον υδροφόρο ορίζοντα µέχρι το όριο που παρατηρούνται τριχοειδή φαινόµενα Είδη υδάτων 1. Υµενοειδές ύδωρ: µη κινούµενο νερό που συγκρατείται από τάσεις τριχοειδών φαινοµένων και υδροσκοπικές δυνάµεις. 2. Ύδωρ βαρύτητας-επιπλέον νερό το οποίο κινείται υπό την επίδραση της βαρύτητας.[2] Ρ=0 Μη κορεσµένη ζώνη Φρεάτιο Κορεσµένη ζώνη Σχήµα1.1 Βασικές έννοιες της Υπόγειας Υδραυλικής. Πηγή[2] 1.3 Υδροφορέας Υδροφορέας είναι ένας υπεδάφιος σχηµατισµός που περιέχει σηµαντικές ποσότητες διαπερατών υλικών κορεσµένων µε νερό. Οι περισσότεροι υδροφορείς έχουν µεγάλη έκταση και ταξινοµούνται σε ελεύθερους και περιορισµένους, µε βάση τη θέση του υδροφόρου ορίζοντα. Έτσι: 2

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-Γενικά για την υπόγεια υδραυλική Ελεύθερος υδροφορέας: Η ανώτατη επιφάνεια του είναι ο υδροφόρος ορίζοντας. (Σχήµα 1.2) Περιορισµένος ή Αρτεσιανός υδροφορέας: Περιέχει νερό υπό πίεση, η οποία είναι µεγαλύτερη της ατµοσφαιρικής, ενώ στην άνω και κάτω επιφάνειά του περιορίζεται από αδιαπέρατα στρώµατα. (Σχήµα 1.3) Σχήµα1.2 Ελεύθερος Υδροφορέας. Πηγή[2] Σχήµα1.3 Περιορισµένος Υδροφορέας. Πηγή[2] 1.4 Χαρακτηριστικά Υδροφορέων 1. Πορώδες (porosity):πρόκειται για το ποσοστό του εδάφους που δεν καταλαµβάνεται από στερεά υλικά και ορίζεται ως : V v n =, V o 3

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-Γενικά για την υπόγεια υδραυλική όπου V v : ο όγκος των κενών V 0 συνολικός όγκος εδάφους. Χαρακτηριστικές τιµές πορώδους είναι οι εξής : Αµµώδη εδάφη : 0,45-0,55 Πηλός Άργιλος : 0,40-0,60 Ασβεστολιθικά :0,20 Το πορώδες επηρεάζεται από τα εξής χαρακτηριστικά του δείγµατος : την κοκκοµετρική του σύνθεση, τη διάταξη και το σχήµα των κόκκων. 2. Ενεργό πορώδες (effective porosity) : Πρόκειται για το ποσοστό των πόρων που είναι διαθέσιµο για τη ροή του ρευστού. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ένα ποσοστό των πόρων δεν επικοινωνούν µεταξύ τους. Έτσι έχουµε [2]: V Y n e = όπου Vo V Y : ο όγκος του νερού που περιέχεται εντός των ενεργών πόρων V 0 συνολικός όγκος εδάφους ιαφορά µεταξύ του πορώδους και του ενεργού πορώδους παρουσιάζουν τα αργιλώδη εδάφη ενώ τα ιζηµατογενή δεν έχουν τέτοιες διαφορές. 3. Ειδική συγκράτηση: Πρόκειται για τη διαφορά µεταξύ του πορώδους και του ενεργού πορώδους. [2] S = n r n e 1.5 Το πείραµα του Darcy Υδραυλική Αγωγιµότητα Η µακροσκοπική εξέταση των προβληµάτων της Υπόγειας Υδραυλικής επιτυγχάνεται µε τον εµπειρικό νόµο του Darcy που διατυπώθηκε το 1856 και αποτελεί θεµελιώδη νόµο κίνησης της Υπόγειας Υδραυλικής. Για τη διατύπωση αυτού του νόµου ο Darcy έκανε ένα σύνολο πειραµάτων µε τη συσκευή που φαίνεται παρακάτω, 4

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-Γενικά για την υπόγεια υδραυλική Σχήµα1.4 Το πείραµα του Darcy Πηγή[1] Ανάµεσα στις δύο δεξαµενές υπήρχε ένας σωλήνας µε εµβαδόν διατοµής S γεµάτος µε πορώδες υλικό κορεσµένο µε νερό. Εξαιτίας της υψοµετρικής διαφοράς που υπήρχε στις στάθµες του νερού στις δύο δεξαµενές το νερό κινιόταν κατά τη διεύθυνση του σχήµατος. Ένα ογκοµετρικό δοχείο µετά τον εκχειλιστή της δεύτερης δεξαµενής χρησίµευε για τη µέτρηση του όγκου του νερού που περνούσε στη µονάδα του χρόνου µέσα από το πορώδες υλικό. Αυτή η ποσότητα ονοµάζεται παροχή διήθησης και συµβολίζεται µε Q. [1] O Darcy εκτελώντας πολλά πειράµατα διαπίστωσε ότι η παροχή Q είναι ανάλογη της υψοµετρικής διαφοράς h 1 -h 2 και της διατοµής S αντιστρόφως ανάλογη του µήκους l του πορώδους υλικού. Μαθηµατικά ο νόµος διατυπώθηκε ως εξής [1]: h1 h Q = KS l 2 (1) ή µε την πιο διαδεδοµένη του µορφή: Q A h1 h = K l 2 (2) όπου: Q: η παροχή σε (L 3 /T) A η επιφάνεια σε L 2 K η υδραυλική αγωγιµότητα σε (L/T) h η απώλεια φορτίου L το µήκος της στήλης σε (L) 5

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-Γενικά για την υπόγεια υδραυλική Μάλιστα η έκφραση h/l ονοµάζεται υδραυλική κλίση Ταχύτητα ιήθησης Στο νόµο του Darcy ο λόγος Q/Α είναι η παροχή που περνά από τη µονάδα επιφανείας της διατοµής και παριστάνει µια υποθετική ταχύτητα που ονοµάζεται ταχύτητα Darcy δηλαδή [1]: όπου: q p = Q A h1 h = K l 2 h = K (3) l h=h 2 -h 1 χωρίς όµως στη µορφή αυτή να λαµβάνεται υπόψη το στερεό υλικό και οι πόροι. Στην πραγµατικότητα όµως σε ένα πορώδες υλικό, η ροή περιορίζεται µόνο εντός των πόρων οπότε η πραγµατική ταχύτητα που είναι γνωστή ως ταχύτητα διήθησης είναι[1]: q n Υδραυλική Αγωγιµότητα = Q na h1 h = K n l 2 h = K n l Η υδραυλική αγωγιµότητα που υπεισέρχεται στο νόµο του Darcy αποδείχθηκε πειραµατικά ότι δεν εξαρτάται αποκλειστικά και µόνο από τα χαρακτηριστικά του ρευστού που κινείται στο πορώδες υλικό. Συγκεκριµένα αποδείχθηκε ότι αυτή η παράµετρος είναι αντιστρόφως ανάλογη του κινηµατικού ιξώδες ν του ρευστού. Έτσι µπορεί να αναλυθεί σε µεγέθη που άλλα εξαρτώνται από τα χαρακτηριστικά του πορώδους υλικού και άλλα από τα χαρακτηριστικά του ρευστού. Η σχέση που εκφράζει αυτήν την εξάρτηση είναι [1]: k K = g όπου ν k το µέγεθος που εξαρτάται µόνο από τα χαρακτηριστικά του πορώδους υλικού, ονοµάζεται συντελεστής γεωµετρικής διαπερατότητας και έχει διαστάσεις επιφάνειας. ν κινηµατικό ιξώδες υγρού Ενδεικτικές τιµές του συντελεστή σχετικής διαπερατότητας (4) 6

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-Γενικά για την υπόγεια υδραυλική Ε ΑΦΟΣ Κ(m/sec) Άργιλος <10-9 Αµµώδης Άργιλος Ανθρακούχος Άργιλος Ιλύς Εξαιρετικά λεπτόκοκκη άµµος Λεπτόκοκκη άµµος Χοντρόκοκκη άµµος Άµµος µε χαλίκι Λεπτόκοκκα χαλίκια >10-2 Πίνακας 1.1:Εδάφη και Συντελεστές ιαπερατότητας Πηγή[1] Συντελεστής Μεταβιβασιµότητας (Transmissivity)-T Ως Συντελεστής Μεταβιβασιµότητας ορίζεται ο ρυθµός µε τον οποίο, νερό δεδοµένου κινηµατικού ιξώδους µεταβιβάζεται δια µέσου µοναδιαίου πλάτους ενός υδροφορέα µε µοναδιαία υδραυλική κλίση. Μαθηµατικά εκφράζεται ως [2]: T = Kb όπου: b το κορεσµένο βάθος του υδροφορέα K η υδραυλική αγωγιµότητα σε (L/T) 1.6 Οµοιογένεια και Ανισοτροπία Η υδραυλική αγωγιµότητα ενός υδροφορέα δεν παραµένει σταθερή αντιθέτως µεταβάλλεται από σηµείο σε σηµείο. Μάλιστα είναι δυνατόν να µεταβάλλεται και στο ίδιο σηµείο ως προς την κατεύθυνση. Έτσι στην πρώτη περίπτωση µιλάµε για την ιδιότητα της οµοιογένειας ή της ετερογένειας και στη δεύτερη για την περίπτωση της ισοτροπίας ή της ανισοτροπίας. Έτσι έχουµε την εξής ταξινόµηση[2]: 1. Οµοιογενής χαρακτηρίζεται ένας υδροφορέας που έχει τις ίδιες υδραυλικές ιδιότητες σε κάθε σηµείο του. 2. Ετερογενής χαρακτηρίζεται ο υδροφορέας του οποίου οι υδραυλικές ιδιότητες µεταβάλλονται χωρικά. 7

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-Γενικά για την υπόγεια υδραυλική 3. Ισότροπος είναι ο υδροφορέας ο οποίος σε οποιοδήποτε σηµείο του έχει τις ίδιες υδραυλικές ιδιότητες προς όλες τις κατευθύνσεις. 4. Ανισότροπος χαρακτηρίζεται ο υδροφορέας που έχει διαφορετικές υδραυλικές ιδιότητες προς όλες τις κατευθύνσεις. Παρακάτω βλέπουµε σχηµατικά αυτές τις έννοιες. Οµοιογενής Ισότροπος Οµοιογενής Ανισότροπος Ετερογενής Ισότροπος Ετερογενής Ανισότροπος Σχήµα1.5 Οµοιογένεια και ισοτροπία στους Υδροφορείς. Πηγή[Freeze and Cherry,1979] 1.7 Ανισοτροπία και Υδραυλική Αγωγιµότητα Ένας υδροφορέας µπορεί να αποτελείται από διαφορετικά στρώµατα µε διαφορετικό πάχος και υδραυλική αγωγιµότητα το κάθε ένα. Θεωρώντας την ιδεατή τοµή του υδροφορέα του παρακάτω σχήµατος, µε πάχη και υδραυλικές αγωγιµότητες στρωµάτων, z 1,z 2 και Κ 1,Κ 2 αντίστοιχα, για την εύρεση του Κ χ,κ z προκύπτουν τα εξής[2]: 8

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-Γενικά για την υπόγεια υδραυλική Σχήµα1.6 ιαγραµµατική αναπαράσταση δύο ισότροπων οριζοντίων στρωµάτων µα διαφορετικό πάχος και υδραυλική αγωγιµότητα Κ. Πηγή[2] K1z1 + K 2 z K x = z + z z1 + z2 K z = z1 z + K K και στις δύο περιπτώσεις οι όροι µπορούν να γενικευθούν οπότε προκύπτουν οι τύποι αντίστοιχα: K x = K 1 z 1 z + K z 2 z K z n n z n για περισσότερα του ενός στρώµατα K z = z1 + z z1 z + K K zn z K n n για περισσότερα του ενός στρώµατα. 1.8 Η εξίσωση της συνέχειας Ο νόµος του Darcy αποτελεί το Θεµελιώδη νόµο της Υπόγειας Υδραυλικής. Με την εφαρµογή όµως µόνο του νόµου του Darcy δεν είναι δυνατόν να λυθούν τα προβλήµατα της Υπόγειας Υδραυλικής χωρίς µία επιπλέον εξίσωση. Η εξίσωση αυτή προκύπτει από την αρχή διατήρησης της µάζας, δηλαδή την εξίσωση της συνέχειας. [1] Για τη µαθηµατική εξίσωση της συνέχειας αποµονώνεται ένας στοιχειώδης όγκος σε σχήµα παραλληλεπιπέδου µε διαστάσεις dx,dy,dz όπως στο παρακάτω σχήµα και υπολογίζεται η συνθήκη εκείνη, ώστε η ποσότητα του ρευστού που βρίσκεται µέσα στο στοιχειώδες όγκο να παραµένει σταθερή. 9

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-Γενικά για την υπόγεια υδραυλική Σχήµα1.7 Στοιχειώδης όγκος µε διαστάσεις dx,dy,dz Πηγή[1] Από το σχήµα φαίνεται η ποσότητα του ρευστού που εισέρχεται στη µονάδα του χρόνου κατά x,y,z. Έτσι για παράδειγµα κατά x, στη µονάδα του χρόνου έχουµε διαφορά παροχής την εξής ποσότητα[1] : ( nρυ x ) ( nρυ x ) { nρυ x [ nρυ x + dx]} dydz = dxdydz (5) x x οµοίως κατά y,z έχουµε: ( nρυ y ) ( nρυ z ) { nρυ y [ nρυ y + dy]} dxdz = dxdydz (6) y z ( nρυ z ) ( nρυ z ) { nρυ z [ nρυ z + dz]} dydx = dxdydz (7) z z προσθέτοντας τις τρεις αυτές εξισώσεις και διαιρώντας κατά dxdydz και θεωρώντας το πορώδες του υλικού αµετάβλητο λαµβάνουµε την εξίσωση της συνέχειας : u υ w + + = 0 (8) x y z 1.9 Mαθηµατικό Οµοίωµα Σύµφωνα µε το νόµο του Darcy οι συνιστώσες της ταχύτητας διήθησης είναι [1]: Φ u =, x Φ υ =, και y w = Φ z 10

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-Γενικά για την υπόγεια υδραυλική όπου Φ η συνάρτηση του δυναµικού δηλ Φ=-Κh. Αν αντικαταστήσουµε τις παραπάνω εξισώσεις στη συνάρτηση της συνέχειας λαµβάνουµε[1]: Φ Φ Φ x y z = 0 (9) γνωστή ως συνάρτηση Laplace. Η συνάρτηση αυτή αποτελεί θεµελιώδη εξίσωση της Υπόγειας Υδραυλικής από την οποία µπορεί να υπολογιστεί το Φ και στη συνέχεια οποιοδήποτε υδραυλικό µέγεθος. Συνήθως η επίλυσή της γίνεται µε τη βοήθεια οριακών συνθηκών του πεδίου ροής[1] Tύποι ορίων και Οριακές συνθήκες Τα πιο συνηθισµένα όρια των επίπεδων ροών είναι αυτά που φαίνονται στο παρακάτω σχήµα: Σχήµα1.8 Οριακές συνθήκες Πηγή[1] 1. Όριο εξαµενής : Είναι η γραµµή επαφής του ελεύθερου ρευστού µε το πορώδες υλικό. Τέτοιες γραµµές αποτελούν οι ΑΓ και η ΕΒ του σχήµατος. Η συνάρτηση του δυναµικού σε ένα τυχαίο σηµείο ενός τέτοιου ορίου είναι Φ=-ΚΗ Κάθε σηµείο πάνω σε αυτό το όριο έχει σταθερό δυναµικό. Ουσιαστικά τα όρια δεξαµενής αποτελούν ισοδυναµικές γραµµές [1]. 2. Αδιαπέρατο όριο : Είναι η γραµµή επαφής του πορώδους υλικού µε αδιαπέρατη στρώση. Τέτοιο όριο αποτελεί η γραµµή ΑΒ του σχήµατος. Οι ισοδυναµικές γραµµές 11

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-Γενικά για την υπόγεια υδραυλική Φ τέµνουν κάθετα ένα τέτοιο όριο και συνεπώς = 0 ε όπου ε είναι το µοναδιαίο κάθετο διάνυσµα προς το όριο στο τυχαίο σηµείο το Θ.[1] 3. Ελεύθερη επιφάνεια: Είναι η γραµµή επαφής του πορώδους υλικού του κορεσµένου µε ρευστό, µε το πορώδες υλικό το κορεσµένο µε ατµοσφαιρικό αέρα. Η καµπύλη Γ αποτελεί την ελεύθερη επιφάνεια της ροής. Υποτίθεται ότι κατά µήκος της ελεύθερης επιφάνειας η πίεση παραµένει σταθερή και ίση µε την ατµοσφαιρική. Το δυναµικό σε τυχαίο σηµείο της ελεύθερης επιφάνειας προκύπτει ότι είναι : Φ+Κz=-Kpa/ρg=σταθερό Μάλιστα αν η ατµοσφαιρική πίεση θεωρηθεί ως πίεσης αναφοράς δηλ pa=0 τότε Φ+Κz=0 Έτσι όλα τα σηµεία της ελεύθερης επιφάνειας ικανοποιούν τη συνθήκη αυτή αλλά δεν ισχύει το αντίστροφο, όποιο δηλαδή σηµείο ικανοποιεί τη συνθήκη να είναι και σηµείο της ελεύθερης επιφάνειας.[1] 4. Επιφάνεια διήθησης: Είναι η γραµµή επαφής του πορώδους υλικού του κορεσµένου µε ρευστό µε τον ελεύθερο ατµοσφαιρικό αέρα. Αυτή η γραµµή στο παραπάνω σήµα είναι η Ε. Κατά µήκος της επιφάνειας διήθησης η πίεση παραµένει σταθερή και ίση µε την ατµοσφαιρική. Οπότε η οριακή συνθήκη είναι ίδια µε την προηγούµενη περίπτωση δηλαδή [1]: Φ+Κz= Επίλυση του µαθηµατικού οµοιώµατος µε τη µέθοδο της αριθµητικής ανάλυσης Ένας τρόπος επίλυσης της εξίσωσης Laplace είναι µε τη µέθοδο της αριθµητικής ανάλυσης και συγκεκριµένα µε τη µέθοδο των πεπερασµένων διαφορών, που µπορεί να δώσει αριθµητικά αποτελέσµατα ανεξάρτητα από τη µορφή του πεδίου ροής.[1] Η µέθοδος των πεπερασµένων διαφορών Αρχές της µεθόδου Μία συνάρτηση Φ(x,y) µονοσήµαντη και πεπερασµένη στην περιοχή R αναπτύσσεται σε σειρά Taylor µέσα στην περιοχή και κοντά στο σηµείο µε συντεταγµένες (x,y) σύµφωνα µε τις σχέσεις [1]: 2 Φ( x, y) h Φ x + h, y) = Φ( x, y) + h + x Φ( x, y) h + 2 x 6 ( 3 3 Φ( x, y) +... (10) x 12

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-Γενικά για την υπόγεια υδραυλική... ), ( 6 ), ( 2 ), ( ), ( ), ( Φ Φ + Φ = Φ Φ x y x h x y x h x y x h y x y h x (11) Προσθέτοντας αυτές τις δύο εξισώσεις έχουµε: )... 0( ), ( 1 ), ( 2 ), ( ), ( h x y x h y x y h x y h x + Φ + Φ = + Φ + Φ (12) Το τελευταίο σύµβολο σηµαίνει ότι παραλείπονται οι όροι που περιέχουν το h σε δύναµη µεγαλύτερη ίση από την τέταρτη. Υπολογίζουµε τη δεύτερη µερική παράγωγο της εξ.12 ως προς x έχουµε: ) 0( )], ( ), ( 2 ), ( [ 1 ), ( h y h x y x y h x h x y x + + Φ Φ + Φ = Φ (13) οµοίως έχουµε τη δεύτερη παράγωγο ως προς y. ) 0( )], ( ), ( 2 ), ( [ 1 ), ( k k y x y x k y x k y y x + + Φ Φ + Φ = Φ (14) Οι σχέσεις αυτές είναι προσεγγιστικές και η προσέγγιση είναι τόσο καλύτερη όσο µικρότερες είναι οι τιµές του h και του k. [1] Στη συνέχεια αν αφαιρέσουµε την εξ 12 από την 11 µπορούµε να υπολογίσουµε την πρώτη µερική παράγωγος της Φ ως προς x στη θέση x,y. ) 0( )], ( ), ( [ 2 1 ), ( 2 h y h x y h x h x y x + Φ + Φ = Φ (15) οµοίως κατά y ) 0( )], ( ), ( [ 2 1 ), ( 2 k k y x k y x k y y x + Φ + Φ = Φ (16) Οι δύο αυτοί τύποι είναι γνωστοί ως τύποι κεντρικής διαφοράς. Η πρώτη µερική παράγωγος της Φ ως προς x στη θέση x,y µπορεί επίσης να υπολογισθεί από την εξ. 11 παραλείποντας του όρους που περιέχουν το h σε δύναµη ίση και µεγαλύτερη της δεύτερης. Έτσι έχουµε [1]: ) 0( )], ( ), ( [ 2 1 ), ( h y x y h x h x y x + Φ + Φ = Φ (17) οµοίως κατά y έχουµε: ) 0( )], ( ), ( [ 2 1 ), ( h y x k y x k y y x + Φ + Φ = Φ (18) Οι δύο τελευταίοι τύποι ονοµάζονται τύποι της εµπροσθοδροµικής διαφοράς. Οι τύποι αυτοί µπορούν να µετασχηµατισθούν σε τύποι της οπισθοδροµικής διαφοράς και έτσι έχουµε [1] : 13

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-Γενικά για την υπόγεια υδραυλική ) 0( )], ( ), ( [ 1 ), ( h y h x y x h x y x + Φ Φ = Φ (19) ) 0( )], ( ), ( [ 1 ), ( k k y x y x k y y x + Φ Φ = Φ (20) Κατασκευή ορθογωνικού δικτύου Αν στην περιοχή R κατασκευασθεί ένα δίκτυο από ίσα ορθογώνια παραλληλόγραµµα πλευρών δx=h και δy=k όπως στο παρακάτω σχήµα τότε οι συντεταγµένες ενός τυχαίου κόµβου (x,y) είναι x=ih,και y =jk όπου i, και j ακέραιοι αριθµοί.[1] Σχήµα1.9 Κατασκευή ορθογωνικού δικτύου Πηγή[1] Έτσι σε τυχαίο κόµβο Φ(x,y)=Φ(ih,jk)=Φi,j,.Αντικαθιστώντας αυτό το συµβολισµό στις εξισώσεις 13,14,15,16,17,18,19,20 έχουµε [1]: ] 1,, 2 ) 1, ( [ 1, j i j i j i h x j i + Φ Φ + Φ = Φ (21) 1)], (, 2 1), ( [ 1, Φ Φ + Φ = Φ j i j i j i k y j i (22) ] 1, ) 1, ( [ 2 1, j i j i h x j i Φ + Φ = Φ (23) 1], 1), ( [ 2 1, Φ + Φ = Φ j i j i k y j i (24) ], ) 1, ( [ 1, j i j i h x j i Φ + Φ = Φ (25) ], 1), ( [ 1, j i j i k y j i Φ + Φ = Φ (26) 14

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-Γενικά για την υπόγεια υδραυλική Φi, j x Φi, j y = = 1 [ Φi, j, Φ( i 1, j)] (27) h 1 [ Φ( i, j) Φ( i, j 1)] (28) k 2 2 Φ Φ Αν αντικαταστήσουµε τις παραπάνω εξισώσεις στην εξίσωση Laplace + = x y παίρνει τη µορφή: 2 2 Φ i + 1, j + Φ i 1, j + r ( Φ i, j+ 1 + Φ i, j 1 ) 2(1 + r ) Φi, j = 0.. (29) όπου r=h/k είναι ο λόγος των ισοδιαστάσεων του ορθογωνικού δικτύου. Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα όταν αυτή η εξίσωση γράφεται για τον κόµβο i,j συνδέει την τιµή της συνάρτησης Φ σε αυτόν τον κόµβο και τις τιµές της συνάρτησης στους τέσσερις γειτονικούς κόµβους.[1] Σχήµα1.10 Ο τύπος των πέντε σηµείων Πηγή[1] Επειδή ο τύπος συνδέει τις τιµές της συνάρτησης σε πέντε γειτονικούς κόµβους ονοµάζεται τύπος των πέντε σηµείων. Όταν το δίκτυο είναι τετραγωνικό δηλ. r=1 τότε η εξίσωση παίρνει τη µορφή: Φ i + 1, j + Φ i 1, j + Φ i, j+ 1 + Φ i, j 1 4Φi, j = 0.. (30) Μάλιστα όσο µικρότερες οι ισοδιαστάσεις h,k τόσο καλύτερη η προσέγγισης της εξίσωσης. Με βάση αυτήν την εξίσωση και τις συνθήκες ορίων που ισχύουν στο υπό µελέτη πεδίον ροής επιλύονται οι γραµµικές εξισώσεις που προκύπτουν και βρίσκονται τα ζητούµενα υδραυλικά στοιχεία. 15

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-Γενικά για την υπόγεια υδραυλική 1.1 To αντικείµενο της Υπόγειας Υδραυλικής Βασικές έννοιές της Υπόγειας Υδραυλικής Ταξινόµηση του υπόγειου ύδατος Κορεσµένη ζώνη Μη κορεσµένη ζώνη Υποζώνες Είδη υδάτων Υδροφορέας Χαρακτηριστικά Υδροφορέων Το πείραµα του Darcy Υδραυλική Αγωγιµότητα Ταχύτητα ιήθησης Υδραυλική Αγωγιµότητα Συντελεστής Μεταβιβασιµότητας (Transmissivity)-T Οµοιογένεια και Ανισοτροπία Ανισοτροπία και Υδραυλική Αγωγιµότητα Η εξίσωση της συνέχειας Mαθηµατικό Οµοίωµα Tύποι ορίων και Οριακές συνθήκες Επίλυση του µαθηµατικού οµοιώµατος µε τη µέθοδο της αριθµητικής ανάλυσης Η µέθοδος των πεπερασµένων διαφορών Κατασκευή ορθογωνικού δικτύου

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2-Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2:Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης 2.1 Γενικά το πρόβληµα των παράκτιων υδροφορέων Πολλές παράκτιες ζώνες και ιδιαίτερα οι δελταϊκές περιοχές είναι ιδιαίτερα πυκνοκατοικηµένες. Το 50% σχεδόν του παγκόσµιου πληθυσµού κατοικεί σε µία απόσταση 60 χιλιοµέτρων από την ακτή. Η παραθαλάσσια ζώνη πάντα προσέλκυε τον άνθρωπο τόσο εξαιτίας της αφθονίας της τροφής λόγω της αλιείας και της καλλιέργειας της γης, όσο και εξαιτίας της δυνατότητας ανάπτυξης οικονοµικών δραστηριοτήτων. Η αυξηµένη όµως συγκέντρωση ανθρώπινων ενεργειών σε αυτές τις περιοχές έχει προκαλέσει µείωση του φυσικού υπόγειου νερού. Σε σχέση µε τα επιφανειακά ύδατα τα πλεονεκτήµατα των υπόγειων υδάτων είναι αρκετά: Η υψηλή ποιότητα Η σχεδόν ελάχιστη εποχιακή µεταβολή, µάλιστα παρουσιάζουν σταθερή θερµοκρασία όλο το χρόνο, Το µικρό κόστος αποθήκευσης και µάλιστα χωρίς χωρικούς περιορισµούς και τέλος Οι τεράστιες διαθέσιµες ποσότητες Παρόλα αυτά όµως το καθαρό νερό είναι µάλλον σπάνιο και αγγίζει µόλις το 2,5% ολόκληρου του νερού στη γη. Ο πίνακας 2.1 παρακάτω µας δείχνει την κατανοµή του νερού στη γη.[3] Τύπος Όγκος, 10 6 km 3 % Κατανοµή του νερού στη γη Ωκεανοί & Θάλασσες ,5 Γλυκό νερό 35 2,5 Συνολική ποσότητα νερού Κατανοµή γλυκού νερού στη γη Πάγος 24,4 69,7 Επιφανειακά ύδατα 0,1 0,3 Υπόγεια ύδατα 10,5 30,0 Συνολική ποσότητα φρέσκου νερού 35,00 100,0 Πίνακας 2.1 Κατανοµή του νερού στη γη. Πηγή[3] 16

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2-Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης Περίπου το 1/3 του φρέσκου νερού που χρησιµοποιείται είναι από υπόγεια ύδατα. Το ποσοστό αυτό αυξάνει συνεχώς αφού η απαίτηση για νερό αυξάνει εξαιτίας: Της αύξηση του παγκόσµιου πληθυσµού και της οικονοµικής άνθησης Της αδυναµίας αξιοποίησης των επιφανειακών υδάτων λόγω ρύπανσης. Της διαθεσιµότητας των µεγάλων υπόγειων ποσοτήτων σε σχέση µε αυτή των επιφανειακών υδάτων. Τη υψηλή ποιότητα των υπόγειων υδάτων σε σχέση µε τα επιφανειακά. Βέβαια και τα υπόγεια ύδατα παρουσιάζουν µειονεκτήµατα µερικά από τα οποία είναι τα εξής: Η υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα Το ενδεχόµενο εµφάνισης φαινοµένων καθίζησης σε περιπτώσεις υπεράντλησης Το υψηλό κόστος εξόρυξης. Το ενδεχόµενο της υφαλµύρωσης. Το φαινόµενο της υφαλµύρωσης δηλαδή την εισροή του θαλασσινού υπόγειου νερού σε έναν υδροφορέα που περιέχει καθαρό νερό, αποτελεί απειλή όχι µόνο για τον άνθρωπο και τη βιοµηχανία αλλά ιδιαίτερα για τη γεωργία. Αν και έχουν ανακαλυφθεί µέθοδοι αφαλάτωσης του υφάλµυρου νερού, δυστυχώς παραµένει µία πολύ δαπανηρή τεχνική. Η τωρινή διάθεση του γλυκού, του θαλασσινού και του υφάλµυρου ύδατος στο υπέδαφος επηρεάζεται τόσο από φυσικές διαδικασίες όσο και από τον ανθρώπινο παράγοντα. Όπως είναι αναµενόµενο θαλασσινό και υφάλµυρο νερό εντοπίζεται σε παράκτιους υδροφορείς. Οι παράγοντες που επηρεάζουν τους παράκτιους υδροφορείς εµφανίζονται στο παρακάτω σχήµα. 17

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2-Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης ΣΧΕΤΙΚΟ ΕΠΙΠΕ Ο ΘΑΛΑΣΣΑΣ ΑΛΛΑΓΕΣ ΣΤΟ Υ ΡΟΛΟΓΙΚΟ ΚΑΘΕΣΤΩΣ ΠΑΡΑΚΤΙΑ ΖΩΝΗ ΠΑΡΑΚΤΙΟΙ Υ ΡΟΦΟΡΕΙΣ ΠΟΤΑΜΟΙ & ΕΚΒΟΛΕΣ ΑΝΘΡΩΠΙΝΕΣ ΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΑ ΠΡΟΛΗΨΗΣ Σχήµα 2.1 Επιδράσεις στους παράκτιους υδροφορείς Πηγή[3] Οι παράκτιοι υδροφορείς επηρεάζονται από στο σχετικό επίπεδο της θάλασσας. Αυτό αλλοιώνεται τόσο από τις φυσικές όσο και από ανθρωπογενείς καθιζήσεις, από το υδρολογικό καθεστώς που µεταβάλλεται ανάλογα µε το φυσικό εµπλουτισµό, από τις επιδράσεις της παράκτιας ζώνης όπως η διάβρωση και η παλίρροια ακόµη και από τα ύδατα που προέρχονται από τους παραποτάµους. Όµως τη µεγαλύτερη επιρροή ασκεί ο άνθρωπος ο οποίος µε τις δραστηριότητές του, όπως τη γεωργία και την άντληση έχει οδηγήσει τη στάθµη των υδάτων σε µείωση και σε υφαλµύρωση. Το φαινόµενο όµως αυτό δρα εις βάρος και πάλι του ανθρώπου. Η ποιότητα των γεωργικών προϊόντων του υποβαθµίζεται, ενώ ακόµα και οι πιο ανθεκτικές σε αλατότητα καλλιέργειες δεν µπορούν να αντέξουν, µε αποτέλεσµα να αναζητούνται πιο εύφορες περιοχές, να εγκαταλείπονται οι υφάλµυρες και να δηµιουργείται κοινωνική αναταραχή. [3] Ο ρόλος των παράκτιων υδροφορέων που βρίσκονται στη ζώνη επιρροής του Μέσου επιπέδου της θάλασσας (Mean Sea Level- MSL) είναι πολύ σηµαντικός. Οι υδροφορείς αυτοί απειλούνται από µία ραγδαία αύξηση του παγκόσµιου επιπέδου της θάλασσας. Έχει υπολογιστεί ότι τον επόµενο αιώνα να αγγίξει τα 50εκατοστά γεγονός που θα προκαλέσει µεγαλύτερα προβλήµατα σε τέτοιους ευαίσθητους υδροφορείς. Συγκεκριµένα αναµένεται αύξηση της υφαλµύρωσης τους, µε ταυτόχρονη µείωση του καθαρού νερού. Μάλιστα οι παράκτιες περιοχές που βρίσκονται κάτω από το Μέσο Επίπεδο Θαλάσσης δε θα µπορούν να αντεπεξέλθουν µε το περίσσευµα του διηθέντος ύδατος µε αποτέλεσµα να εµφανίσουν υψηλότερη περιεκτικότητα αλατιού από ότι τώρα. [3] 18

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2-Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης 2.2 Χαρακτηριστικά της υπόγειας ροής σε παράκτιους υδροφορείς Εισαγωγή Οι διακυµάνσεις στην πυκνότητα των υπόγειων υδάτων εξαιτίας της αλατότητας επηρεάζουν σηµαντικά την υπόγεια ροή. Το φαινόµενο αυτό θα πρέπει να ληφθεί σηµαντικά υπόψη στη διαχείριση των υπόγειων υδάτων Εξίσωση της υπόγειας ροής Η ροή των υπόγειων υδάτων σε ένα πορώδες µέσο πραγµατοποιείται µέσω ενός πολύπλοκου συστήµατος πόρων και ανοιγµάτων. Το πορώδες µέσο αποτελείται από ένα συµπαγές υλικό όπως άµµο ή ασβεστόλιθο του οποίου τα κενά καταλαµβάνονται από µία ή δύο φάσεις δηλαδή νερό ή αέρα. Ουσιαστικά η εξίσωση υπόγειας ροής που προκύπτει βασίζεται στην εξίσωση συνέχειας και στην εξίσωση κίνησης, όπως θα δούµε παρακάτω. Η ύπαρξη διαλυτών ουσιών µπορεί να επηρεάσει πολύ σηµαντικά την πυκνότητα του νερού εάν η συγκέντρωσή τους είναι αρκετά υψηλή. Στην περίπτωση αυτή η διακύµανση της πυκνότητας πρέπει να ληφθεί υπόψη γιατί η ροή θα είναι εξαρτηµένη από την πυκνότητα. Κάτω από αυτές τις συνθήκες η µεταφορά διαλυτών ουσιών σε υπόγεια ύδατα µπορεί να περιγραφθεί από τη δισδιάστατη εξίσωση µεταφοράς-διασποράς (advection-dispersion). Ουσιαστικά αυτό το µοντέλο µπορεί να εφαρµοστεί σε παράκτιους υδροφορείς των οποίων η πυκνότητα δεν είναι σταθερή αλλά ακόµη και για συντηρητικές διαλυτές ουσίες, ουσίες δηλαδή που δεν έχουν υποστεί χηµικές αντιδράσεις όπως το ιόν του χλωρίου Cl -. Σε αυτήν την περίπτωση η εξίσωση της µεταφοράς- διάχυσης παίρνει την εξής µορφή[3]: C t = x i ( D ij C ) x x j i ' ( C C ) W ( CVi ) + n D e (31) όπου: C συγκέντρωση των διαλυµένων ουσιών σε (Μ/L 3 ) τη χρονική στιγµή t D ij ο συντελεστής υδροδυναµικής διασποράς σε (L 2 /T) V i =qi/n e η ταχύτητα διήθησης του υπόγειου ύδατος κατά τη διεύθυνση x i σε (M/L 3 ) C η αρχική συγκέντρωση των διαλυµένων ουσιών στην πηγή σε (Μ/L 3 ) W ο γενικός όρος που περιγράφει την πηγή σε (Μ/L) και D το κορεσµένο πάχος του υδροφορέα σε (L). 19

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2-Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης Ο πρώτος όρος του δεξιού µέλους της εξίσωσης αντιπροσωπεύει τη µεταβολή της συγκέντρωσης των διαλυτών ουσιών εξαιτίας της υδροδυναµικής διασποράς. Ο δεύτερος όρος αντιπροσωπεύει την επιρροή της συµµεταφοράς δηλαδή της κίνησης των διαλυµένων ουσιών εξαιτίας της κίνησης του υπόγειου υδροφορέα. Τέλος, ο τρίτος όρος αντιπροσωπεύει την επιρροή των διαλυµένων ουσιών εξαιτίας της ύπαρξης πηγών ρύπανσης. [3] Πρέπει να αναφέρουµε ότι µε τον όρο υδροδυναµική διασπορά εννοούµε την ταυτόχρονη ύπαρξη των δύο παρακάτω διαδικασιών[3]: Της Μηχανικής διασποράς (mechanical dispersion)-η οποία προκαλείται από τη διακύµανση των ταχυτήτων σε µικροσκοπική κλίµακα. Πρόκειται ουσιαστικά για µηχανισµό ανάµειξης ο οποίος εξαρτάται από τη ροή του υγρού και από τα χαρακτηριστικά του πορώδους συστήµατος. Γενικά το υγρό κινείται γρηγορότερα στο µέσο των πόρων, ενώ άλλοι πόροι είναι µεγαλύτεροι και άλλοι µικρότεροι. Της Μοριακής ιάχυσης (molecular diffusion) η οποία προκαλείται από την τυχαία κίνηση των µορίων σε ένα υγρό και εξαρτάται από τη διαφορά των συγκεντρώσεων του υγρού και του πορώδους µέσου. Σε συνθήκες στρωτής ροής η µοριακή διάχυση είναι δευτερευούσης σηµασίας µπροστά στη µηχανική διασπορά. Ο ακριβής καθορισµός της υδροδυναµικής διασποράς είναι πολύ δύσκολος εάν όχι αδύνατος δεδοµένου ότι εξαρτάται από πολλές παραµέτρους όπως η ετερογένεια και η ανισοτροπία του υδροφορέα. Γενικά πάντως η εξίσωσης της µεταφοράς-διασποράς συνδέεται µε την εξίσωση της ροής µέσω της ταχύτητας διήθησης της συγκέντρωσης και της πυκνότητας.[3] 2.3 Η πυκνότητα του νερού Κάτω από συνθήκες στρωτής ροής η επίδραση της πίεσης και της θερµοκρασίας στην πυκνότητα απεικονίζονται στο σχήµα

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2-Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης Θερµοκρασία Τ[ 0 C] Πυκνότητα νερού σε kg/m 3 Ακριβές για Τ<15 0 C και για Cl - <1.1% Σχήµα 2.2 Επίδραση πίεσης και θερµοκρασίας στην πυκνότητα του νερού. Πηγή[3] Με βάση το παραπάνω σχήµα είναι φανερό ότι και οι δύο παράµετροι πίεση και θερµοκρασία δεν παίζουν τόσο σηµαντικό ρόλο όσο η συγκέντρωση των διαλυµένων στερεών. Γι αυτό θεωρούµε ότι η πυκνότητα του νερού σχετίζεται µόνο µε τη συγκέντρωση των συνολικών διαλυµένων ουσιών (Total dissolved solids-tds) σε αυτό. Μάλιστα στους παράκτιους υδροφορείς το κυρίαρχο ιόν είναι το ιόν του χλωρίου Cl -, και για αυτό το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στη διανοµή αυτού του ιόντος. Μάλιστα µε βάση τη συγκέντρωση του ιόντος Cl γίνεται και η ταξινόµηση του καθαρού, του υφάλµυρου και αλµυρού ύδατος. Έτσι έχουµε[3]: 1. Καθαρό νερό συγκέντρωση χλωρίου Cl 300mg / l 2. Υφάλµυρο νερό συγκέντρωση χλωρίου 300 mg / l < Cl < mg / l 3. Αλµυρό νερό συγκέντρωση χλωρίου Cl > mg / l Με βάση τις προδιαγραφές της Ευρωπαϊκής Ένωσης το πόσιµο νερό πρέπει να έχει συγκέντρωση χλωρίου 150mg Cl - /lt ενώ αντίστοιχα ο Παγκόσµιος Οργανισµός Υγείας ορίζει µία ανεκτή τιµή συγκέντρωσης χλωρίου στα 200mg Cl - /lt. Αξίζει να 21

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2-Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης αναφέρουµε ότι ο άνθρωπος αρχίζει να αντιλαµβάνεται την αλµυρότητα στο νερό µετά τη συγκέντρωση Cl - 100mg/lt ενώ οι ωκεανοί έχουν αντίστοιχη συγκέντρωση mg /lt. 2.4 H αρχή των Βadon Ghyben-Herzberg Η διαφορά στην πυκνότητα µεταξύ φρέσκου-αλµυρού νερού που παρατηρείται στους παράκτιους υδροφορείς εµφανίζονται να είναι µικρή µπορεί να έχει πολύ σηµαντική επιρροή στη ροή των υπόγειων υδάτων. Η αρχή των Badon Ghyben- Herzberg λαµβάνει υπόψη της όπως την πυκνότητα στη ροή µε έναν πολύ απλό τρόπο, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. θάλασσα φρέσκο γλυκό διεπιφάνεια αλµυρό αλµυρό Σχήµα 2.3 ιεπιφάνεια γλυκού αλµυρού µε βάση τους Badon Ghyben-Herzberg. Πηγή[3] Με βάση τους Badon Ghyben-Herzberg η θέση της διεπιφάνειας ρ s ρ f περιγράφεται από την παρακάτω εξίσωση h = ρ f Η h = ah (32) όπου h είναι το πιεζοµετρικό µέτωπο σε σχέση µε το Μέσο Επίπεδο Θάλασσας σε (L). Η το βάθος της διεπιφάνειας καθαρού- αλµυρού νερού κάτω από το Μέσο Επίπεδο Θάλασσας σε (L). ρ f η πυκνότητα αναφοράς συνήθως η πυκνότητα του φρέσκου νερού χωρίς διαλυµένα στερεά σε (Μ/L 3 ) ρs η η πυκνότητα του αλµυρού νερού σε (Μ/L 3 ) και 22

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2-Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης ρ s ρ f a = η σχετική διαφορά πυκνοτήτων (αδιάστατο). ρ f Η τυπική πυκνότητα του θαλασσινού νερού είναι ίση µε ρ f =1025kg/m 3 ενώ του φρέσκου ρς=1000 kg/m 3 οπότε το α παίρνει την τιµή Αν και η αρχή αυτή µας δίνει µία πολύ καλή προσέγγιση υπάρχουν παράµετροι που την καθιστούν ευάλωτη όπως[3]: Για την αρχή αυτή θεωρήθηκε ότι η ζώνη µεταφοράς µεταξύ καθαρού και αλµυρού νερού είναι µόλις ένα µικρό ποσοστό του πάχους της κορεσµένης ζώνης του υδροφορέα µε το γλυκό νερό, δηλαδή της τάξεως µερικών µέτρων. Τέτοια κατάσταση παρουσιάζεται σε αδιατάραχτες αµµώδεις περιοχές ή σε κοραλλιογενή νησιά όπου το γλυκό νερό ανανεώνεται µε φυσικό τρόπο. Στην πραγµατικότητα όµως τέτοια συστήµατα σπάνια υπάρχουν. Αυτό σηµαίνει ότι η αρχή οδηγείται σε κάποια µικρά λάθη κυρίως σε σχέση µε την απόσταση της ακτής µε τη ζώνη ροής. εν ισχύει η υπόθεση της οριζόντιας ροής. Αντίθετα η διεπιφάνεια αλµυρού γλυκού νερού χαρακτηρίζεται έντονα από την ύπαρξη κατακόρυφων συνιστωσών ταχυτήτων. εν υπάρχει κάποιος υπολογισµός για τη διέξοδο του γλυκού νερού προς τη θάλασσα. Και τέλος δεν λαµβάνεται υπόψη το γεγονός ότι η διεπιφάνεια δεν παραµένει ακίνητη αλλά κινείται προς τον υδροφορέα ή και αντίστροφα. Παρακάτω παρουσιάζονται οι αναλυτικές φόρµουλες που προκύπτουν για τον υπολογισµό της διεπιφάνειας σε περιορισµένο και µη υδροφορέα για µονοδιάστατη ροή σύµφωνα µε την παραπάνω αρχή Ελεύθερος υδροφορέας-μονοδιάστατη ροή Στην περίπτωση του ελεύθερου υδροφορέα η αρχή των Badon Ghyben- Herzberg υιοθετεί το σχήµα 2.4 στο οποίο περιγράφεται η εύρεση της διεπιφάνειας γλυκού- αλµυρού νερού. 23

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2-Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης Εµπλουτισµός γλυκό Επίπεδο αναφοράς διεπιφάνεια αλµυρό Σχήµα 2.4 ιεπιφάνεια αλµυρού-θαλασσινού νερού σε ελεύθερο υδροφορέα Πηγή[3] Στην περίπτωση αυτή ισχύει η σχέση H 2 fx 2C1x 2C2 =, h = ah, k(1 + a) a q = fx + C 1 (33) όπου q η ροή ανά µονάδα µήκους της ακτής (L 2 /Τ) k η οριζόντια υδραυλική αγωγιµότητα (L/Τ) f ο φυσικός εµπλουτισµός (L/Τ) Και x η οριζόντια θέση(απόσταση από τον άξονα συµµετρίας) (L) [3] Παραλλαγές του τύπου Υποπερίπτωση 1 Στην περίπτωση που έχουµε µονοδιάστατη ροή σε υπόγειο υδροφορέα σε ένα µεµονωµένο νησί όπου το γλυκό νερό ανανεώνεται δια µέσω φυσικού εµπλουτισµού όπως φαίνεται στο σχήµα 2.5, ισχύει ο παρακάτω τύπος που είναι τροποποίηση της σχέσης

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2-Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης Εµπλουτισµός Επίπεδο εδάφους θάλασσα Καθαρό νερό αλµυρό Σχήµα 2.5 ιεπιφάνεια αλµυρού-θαλασσινού νερού σε µεµονωµένο νησί Πηγή[3] Η εξίσωση που χαρακτηρίζει την διεπιφάνεια θαλασσινού γλυκού νερού στην παραπάνω περίπτωση είναι η εξής[3]: H 2 2 f (0.25B x ) = (34) k(1 + a) a όπου: Β είναι το πλάτος της αµµώδους περιοχής. Υποπερίπτωση 2 Στην περίπτωση που έχουµε ένα ρηχό υδροφορέα µε πάχος D το σώµα του γλυκού νερού αγγίζει την αδιαπέρατη βάση και τότε η είσοδος του αλµυρού νερού δηµιουργεί µία σφήνα µήκους L όπως φαίνεται στο σχήµα 2.6 Εµπλουτισµός θάλασσα Επίπεδο εδάφους Γλυκό νερό αλµυρό Αδιαπέρατο στρώµα Υφάλµυρη σφήνα µήκους L Σχήµα 2.6 ιεπιφάνεια αλµυρού-θαλασσινού νερού σε ρηχό υδροφορέα Πηγή[3] 25

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2-Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης Στην περίπτωση αυτή ισχύουν οι εξής εξισώσεις[3]: H fx q x = h = ah k(1 + a) a q0 q0 2 k 2 q = fx + q 0, q0 = fw, L = ( ) D (1 + a) a (35) f f f Όπου: q 0 ο φυσικός εµπλουτισµός στην ακτή για x=0 (L 2 /Τ) L το µήκος της υφάλµυρης σφήνας D το πάχος του υδροφορέα (L) W το µήκος του υδροφορέα µέχρι να συναντήσει το επίπεδο του εδάφους (L) Περιορισµένος υδροφορέας Μονοδιάστατη ροή στο σχήµα2.7. Η εισροή του αλµυρού νερού σε ένα περιορισµένο υδροφορέα απεικονίζεται Επίπεδο εδάφους Επίπεδο αναφοράς Αδιαπέρατο στρώµα Γλυκό νερό ιεπιφάνεια αλµυρό Σχήµα 2.7 ιεπιφάνεια αλµυρού-θαλασσινού νερού σε περιορισµένο υδροφορέα. Πηγή[3] Στην περίπτωση αυτή η εξίσωση που χαρακτηρίζει τη διεπιφάνεια αλµυρούφρέσκου νερού είναι η εξής[3]: όπου 2q0 x H = + C, h = a( H + A), q = q 0 (36) ka q 0 είναι ο εµπλουτισµός ανά µονάδα µήκους ακτής (L 2 /Τ) 26

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2-Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης Α το ύψος του επιπέδου της θάλασσας σε σχέση µε το ανώτατο όριο του υδροφορέα. (L) Υποπερίπτωση 1-Υφάλµυρη σφήνα Στην περίπτωση που και πάλι το γλυκό νερό συναντά αδιαπέρατη βάση δηµιουργείται µία σφήνα η οποία ονοµάζεται υφάλµυρη και απεικονίζεται στο σχήµα 2.8. Επιφάνεια εδάφους Αδιαπέρατο στρώµα αλµυρό Γλυκό νερό Υφάλµυρη σφήνα µήκους L Σχήµα 2.8 Υφάλµυρη σφήνα σε περιορισµένο υδροφορέα Πηγή[3] Οι εξισώσεις που ισχύουν σε αυτήν την περίπτωση είναι οι εξής[3]: 2 2q0 x kd a H =, h = a( H + A), q = q0, L = (37) ka 2q Παρατηρούµε ότι το µήκος της υφάλµυρης σφήνας είναι αντιστρόφως ανάλογο από τη ροή q 0. H ροή του γλυκού νερού µπορεί να ποικίλλει εξαρτώµενη από την επαναφόρτιση του υδροφορέα, η οποία µπορεί να παρουσιάσει διακυµάνσεις εξαιτίας αλλαγών στο υδρολογικό καθεστώς ή λόγω ανθρώπινων επεµβάσεων όπως η υπεράντληση Προβλήµατα του γλυκού νερού που προµηθεύει τις παράκτιες ζώνες Το κύριο πρόβληµα σε ότι αφορά την υποβάθµιση της ποιότητας του καθαρού νερού στις παράκτιες περιοχές είναι: 1. Η αύξηση της διεπιφάνειας γλυκού-αλµυρού νερού. 2. Η αύξηση του σχετικού επίπέδου της θάλασσας. 27

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2-Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης Η αύξηση της διεπιφάνειας του φρέσκου-αλµυρού νερού Σε περιοχές που το αλµυρό νερό βρίσκεται κάτω από το γλυκό, η διεπιφάνεια αλµυρού- γλυκού νερού µπορεί να αυξηθεί εξαιτίας των αντλήσεων οπότε η στάθµη του υδροφόρου ορίζοντα χαµηλώνει. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα από τις γεωτρήσεις να αντλείται πλέον αλµυρό νερό και υπάρχει το ενδεχόµενο να προκληθεί σοβαρό πρόβληµα. Είναι δύσκολο να βρεθεί λύση σε αυτές τις περιπτώσεις γιατί το αφενός το νερό είναι σπάνιο σε αυτές τις περιοχές, αφετέρου είναι δύσκολο να σταµατήσει η παράνοµη άντληση. Μάλιστα αν συνεχιστεί η άντληση, το αλµυρό νερό θα φτάσει στο επίπεδο άντλησης των πηγαδιών και η ποιότητα του εξαγόµενου ύδατος συνεχώς θα χειροτερεύει. Για να αποφευχθούν αυτές οι αρνητικές επιπτώσεις θα πρέπει να διατηρηθεί ένας σταθερός ρυθµός άντλησης που θα οδηγήσει σε πτώση της πιεζοµετρικής γραµµής και η οποία θα διατηρείται σε ένα σταθερό επίπεδο. Μία άλλη λύση θα µπορούσε να αποτελέσει η µεταφορά του πηγαδιού σε µία άλλη θέση όπου το αλµυρό νερό βρίσκεται σε αρκετό βάθος κάτω από αυτό. Αυτή η λύση προϋποθέτει ότι δεν θα υπάρξει αύξηση του ρυθµού άντλησης αλλιώς το φαινόµενο θα ξαναεµφανιστεί. Παρακάτω απεικονίζεται σχηµατικά το φαινόµενο αυτό της αύξησης της διεπιφάνειας αλµυρού-φρέσκου νερού. Άντληση Επιφάνεια εδάφους Θάλασσα Στάθµη Υδροφόρου ορίζοντα Φρέσκο νερό Αλµυρό νερό Σχήµα 2.9 Αύξηση διεπιφάνειας κάτω από ένα φρεάτιο άντλησης Πηγή[3] 28

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2-Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης Γλυκό νερό Υφάλµυρο Αρχική ιεπιφάνεια Αλµυρό νερό Σχήµα 2.10 Αύξηση διεπιφάνειας κάτω από µία λεπτή στρώµατος περιοχή Πηγή[3] Για την περίπτωση του φρεατίου έχει αναπτυχθεί αναλυτική εξίσωση η οποία δίνει την αύξηση της διεπιφάνειας τη χρονική στιγµή t. Το µοντέλο της λύσης βασίζεται στο παρακάτω σχήµα. Αδιαπέρατο στρώµα Κρίσιµη Γλυκό νερό Αλµυρό νερό Αρχική ιεπιφάνεια Σχήµα 2.10 Σχηµατική απεικόνιση της εξίσωσης αύξησης της διεπιφάνειας στην περίπτωση του φρεατίου Πηγή[3] Το µαθηµατικό µοντέλο που περιγράφει την παραπάνω κατάσταση είναι το εξής: ( Q 1 1 z r, t) = [ ], / 2πak d (1 + R' ) [(1 + γ ') R' ] 2 x + 1/ 2 r k z ak z R'=, γ '= όπου: d k 2n d Z(r,t) η αύξηση της διεπιφάνειας πάνω από την αρχική της θέση r και τη χρονική στιγµή t. (L), x e 29

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2-Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης Q o βαθµός άντλησης του φρεατίου (L 3 /T) d η απόσταση από το φρεάτιο και την αρχική θέση της διεπιφάνειας τη χρονική στιγµή t=0. (L) kx,kz οι οριζόντια και η κάθετη υδραυλική αγωγιµότητα σε (L/T) ne το ενεργό πορώδες αδιάστατο t ο χρόνος που ξεκινά να µετρά µε την άντληση (T) Στην περίπτωση που η διεπιφάνεια βρίσκεται ακριβώς κάτω από το φρεάτιο r=0 τότε η θέση της διεπιφάνειας για t είναι Q z( 0, t ) =. 2πakxd Εάν η διεπιφάνεια περάσει το κρίσιµο ύψος z cr =θd θα φτάσει το φρεάτιο. Για να αποφύγουµε µία τέτοια κατάσταση και δεδοµένου ότι η υφαλµύρωση του φρεατίου συµβαίνει για z>zcr ο µέγιστος επιτρεπόµενος βαθµός άντλησης δίδεται από τον 2 παρακάτω τύπο: Q max zcr2πakxd ή Q max 2πakxθd. Οι τιµές που δίδει η βιβλιογραφία για το συντελεστή θ κυµαίνονται από 0,25-0,6. Γενικά προκύπτει το συµπέρασµα ότι το σύστηµα των φρεατίων µε χαµηλούς βαθµούς άντλησης είναι προτιµότερο Επιδράσεις της αύξηση του σχετικού επιπέδου θαλάσσης Τα αποτελέσµατα από µία πιθανή αύξηση του επιπέδου της θάλασσας θα προκαλούσε δυσάρεστα αποτελέσµατα, διότι[3]: Το φαινόµενο θα γινόταν αµέσως αντιληπτό στο παράκτιο σύστηµα υδάτων. Τα κύρια χαρακτηριστικά θα ήταν η ανάπτυξη έντονων και πελώριων κυµάτων, οι πληµµύρες οι καταρρεύσεις των παράκτιων έργων προστασίας και η παράκτια διάβρωση. Για πολλές κατοικηµένες περιοχές θα τεθεί το ενδεχόµενο της εγκατάλειψης. Μάλιστα αν δεν λαµβάνονταν τα κατάλληλα µέτρα προστασίας η ακτογραµµή θα υποχωρούσε, γεγονός που θα επηρέαζε και τους παράκτιους υδροφορείς µειώνοντας τον ωφέλιµο όγκο φυσικού εµπλουτισµού όπως φαίνεται στο σχήµα

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2-Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης Εµπλουτισµός Εµπλουτισµός Οπισθοχώρηση ακτής- Αύξηση στάθµης Οπισθοχώρηση ακτής Γλυκό νερό Γλυκό νερό Αλµυρό νερό Αλµυρό νερό Αδιαπέρατο στρώµα Αδιαπέρατο στρώµα Σχήµα 2.11 Μείωση ωφέλιµου όγκου φυσικού εµπλουτισµού Πηγή[3] Στην περίπτωση των ποταµών, η είσοδος του αλµυρού νερού θα αυξηθεί, εάν το υποκείµενο στρώµα του ποταµού δε θα µπορέσει να καλύψει την αύξηση του επιπέδου της θάλασσας. Η κατάσταση χειροτερεύει αν πρόκειται για ποτάµια που συνορεύουν µε υδροφορείς που δέχονται έντονες ανθρώπινες δραστηριότητες όπως η άντληση. Το επιπλέον νερό που θα προκύψει µειώνει την ασφάλεια σε περίπτωση πληµµύρας, ενώ για περιοχές που συνορεύουν µε υδροφορείς και έχουν λίγο υψηλότερη κλίση από αυτούς πρέπει να προστατευθούν µε αναχώµατα. Το παραπάνω φαινόµενο απεικονίζεται χαρακτηριστικά στο σχήµα Εµπλουτισµός Εµπλουτισµός Οπισθοχώρηση ακτής- Αύξηση ατάθµης Γλυκό νερό Γλυκό νερό Αλµυρό νερό Αλµυρό νερό Υφάλµυρη σφήνα µήκους L Υφάλµυρη σφήνα µήκους L Αύξηση Υφάλµυρη σφήνας Σχήµα 2.12 Αύξηση υφάλµυρης σφήνας Πηγή[3] Οι υδροφορείς οι οποίοι βρίσκονται εντός της ζώνης επιρροής του Μέσου Επιπέδου Θαλάσσης απειλούνται σηµαντικά από την αύξηση του. Η εισροή 31

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2-Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης θαλασσινού νερού επιταχύνεται σε αυτούς τους υδροφορείς ενώ ο χώρος για φυσική επαναφόρτιση µειώνεται. Η διήθηση του αλµυρού νερού αυξάνεται σε αυτές τις περιοχές, µε αποτέλεσµα να πλήγεται ανεπανόρθωτα η γεωργία. Παράλληλα η ζώνη ανάµειξης του γλυκού και του αλµυρού νερού µεταφέρεται προς το ενδότερο µε αποτέλεσµα να συναντήσουν φρεάτια άντλησης τα οποία είχαν τοποθετηθεί µε κριτήριο να είναι µακριά από αυτή τη ζώνη. Το πρόβληµα αυτό περιγράφεται σχηµατικά στο σχήµα Εµπλουτισµός Εµπλουτισµός Οπισθοχώρηση ακτής- Αύξηση στάθµης Γλυκό νερό Γλυκό νερό Σχήµα 2.13 Μείωση χώρου επαναφόρτισης σε υδροφορείς κάτω από MSL Πηγή[3] Είναι πολύ σηµαντικό να συγκρίνουµε την επιρροή της αύξησης του επιπέδου της θάλασσας σε σχέση µε τις επιπτώσεις των ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Είναι δυνατόν, ο άνθρωπος να προκαλέσει πολύ έντονη υφαλµύρωση δεδοµένου και του χρόνου που λαµβάνει χώρα η κάθε δραστηριότητα. Η αύξηση του επιπέδου της θάλασσας πραγµατοποιείται σταδιακά και µε αργό ρυθµό. Αντίθετα το φαινόµενο της άντλησης είναι ένα φαινόµενο που λαµβάνει χώρα ταχύτατα και καθηµερινά ο ρυθµός του αυξάνεται. Γι αυτό πρέπει να ληφθούν τα απαραίτητα µέτρα προτού ξεκινήσει η άντληση σε µία περιοχή. [3] 2.6 Μέτρα Αντιµετώπισης Υφαλµύρωσης Τα αποτελέσµατα της ανθρώπινης δραστηριότητας στην υφαλµύρωση των υδροφορέων δεν είναι αµέσως ορατά, δεδοµένου ότι η πτώση της πιεζοµετρικής στάθµης πραγµατοποιείται σταδιακά µέχρι να γίνει αντιληπτή. Μέχρι να αντικατασταθούν οι τεράστιοι όγκοι καθαρού νερού από αλµυρό δεν µπορούµε να αντιληφθούµε το µέγεθος του προβλήµατος. [3] 32

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2-Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης Υπάρχουν όµως µέθοδοι µε τις οποίες µπορούµε να εµποδίσουµε ή τουλάχιστον να καθυστερήσουµε την υφαλµύρωση. Μερικές από αυτές είναι [3]: 1. Η έγχυση καθαρού νερού, ή ακόµα και επεξεργασµένων υγρών αποβλήτων µέσω φρεατίων σε µεγάλο βάθος, σε περιοχές που παρουσιάζουν πρόβληµα υφαλµύρωσης. Αυτή η µέθοδος έχει εφαρµοστεί µε επιτυχία στο Ισραήλ και στο Λος Άντζελες. Σχηµατικά βλέπουµε τη λύση παρακάτω. Αύξηση του φρέσκου νερού Πιεζοµετρική γραµµή Αλµυρό νερό Γλυκό νερό Πιεζοµετρική γραµµή Υφάλµυρη σφήνα µήκους L Αδιαπέρατο στρώµα Σχήµα 2.14 Έγχυση καθαρού νερού Πηγή[3] 2. Εξαγωγή του αλµυρού και του υφάλµυρου νερού. Αυτή η λύση όµως ενδέχεται να οδηγήσει σε χαµηλές πιεζοµετρικές στάθµες ιδιαίτερα σε ρηχούς υδροφορείς, ενώ η απόθεση του εξαγόµενου νερού µπορεί να προκαλέσει ανεπιθύµητα αποτελέσµατα. Σχηµατικά µπορούµε να δούµε τη λύση στο σχήµα

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2-Το πρόβληµα της υφαλµύρωσης Αύξηση του φρέσκου νερού Πιεζοµετρική γραµµή Πιεζοµετρική γραµµή Γλυκό νερό Αλµυρό νερό Υφάλµυρη σφήνα µήκους L Αδιαπέρατο στρώµα Σχήµα 2.15 Εξαγωγή αλµυρού και υφάλµυρου νερού Πηγή[3] 3. Μεταβολή του ρυθµού άντλησης ή αλλαγή θέσης των φρεατίων. Ο ρυθµός άντλησης θα πρέπει να παραµένει σταθερός, ενώ τα φρεάτια πρέπει να είναι καλά διανεµηµένα ώστε να µην δηµιουργείται πρόβληµα ακόµα και σε περιόδους ξηρασίας κατά τις οποίες ο κίνδυνος υφαλµύρωσης είναι µεγαλύτερος. Αύξηση του φρέσκου νερού Πιεζοµετρική γραµµή Πιεζοµετρική γραµµή Αλµυρό νερό Γλυκό νερό Υφάλµυρη σφήνα µήκους L Αδιαπέρατο στρώµα Σχήµα 2.16 Μεταβολή του ρυθµού άντλησης Πηγή[3] 4. Αποκατάσταση της γης δηµιουργώντας έτσι ένα σώµα εδάφους όπου να µπορεί να αποθηκευθεί το καθαρό νερό και ταυτόχρονα δηµιουργώντας µία φυσική καθυστέρηση στην εισροή του αλµυρού νερού. 34